Новая модель приближает ученых к пониманию разновидности световых сигналов, создаваемых, когда две сверхмассивные черные дыры (в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца) двигаются по спирали к столкновению. Впервые компьютерное моделирование, включающее физические эффекты общей теории относительности Эйнштейна, показывает, что газ в подобных системах будет светиться преимущественно в УФ и рентгеновском свете.
Почти каждая галактика с параметрами Млечного Пути вмещает черную дыру в центре. Наблюдения показывают, что галактические слияния происходят часто, но до сих пор никому не удавалось увидеть процесс столкновения гигантских черных дыр. Однако ученые сумели заметить слияние черных дыр звездной массы (от трех к нескольким десяткам солнечных) с помощью LIGO. В конкретном случае создавались гравитационные волны – рябь в пространстве и времени, движущаяся на скорости света.
Слияния для сверхмассивных черных дыр будет сложнее определить. Дело в том, что Земля сама является слишком шумным местом. Она сотрясается от сейсмических колебаний и гравитационных изменений от атмосферных возмущений. Поэтому детекторы должны находиться в космосе, как планируют с LISA в 2030-х гг.
Важно заметить, что сверхмассивные двойные системы будут отличаться от своих меньших товарищей богатой газом средой. Ученые подозревают, что взрыв сверхновой, формирующий черную дыру, также выдувает большую часть окружающего газа. Черная дыра настолько быстро поглощается остатки, что при слиянии ничего не остается для «обеда» и не происходит светового сигнала.
Но не будем забывать, что слияние сверхмассивных черных дыр происходит на фоне галактического слияния, а значит присутствует сопровождение из облаков газа и пыли, звезд и планет. Скорее всего, галактическое столкновение продвигает большую часть этого материала ближе к черным дырам, которые продолжают подкармливаться. По мере приближения магнитные и гравитационные силы нагревают оставшийся газ, а астрономы могут зафиксировать сигналы.
Новая симуляция показывает три орбиты пары сверхмассивных черных дыр в 40 орбитах от слияния. Видно, что на этой стадии процесса свет излучается только в УФ-свете с использованием некоторых высокоэнергетических рентгеновских лучей.
Три области излучающего свет газа накаляются при слиянии черных дыр. Это формирует крупное кольцо вокруг системы, а также два меньших кольца вокруг каждой из них. Все эти объекты излучают преимущественно УФ-лучи. Когда газ течет в мини-диск на высокой скорости, УФ-свет диска контактирует с каждой короной черных дыр (область высокоэнергетических субатомных частиц выше и ниже диска). Когда скорость аккреции ниже, УФ-свет тускнеет относительно рентгеновского излучения.
Основываясь на моделировании, ученые ожидают, что рентгеновские лучи, созданные «почти слиянием», будут ярче, чем в одиночных сверхмассивных черных дырах. Для моделирования использовали суперкомпьютер Blue Waters в течение 46 дней на 9600 вычислительных ядрах. Исходное моделирование оценивает температуру газа. Команда планирует уточнить код для моделирования того, как изменяются параметры системы, вроде температуры, расстояния, общей массы и скорости аккреции. Ученым интересно понять, что происходит с газом, путешествующим между двумя черными дырами.